은하단의 움직임을 설명하기 위해 암흑 물질 이 처음 제안 된 지 거의 한 세기 가 지났지 만, 물리학 자들은 그것이 무엇으로 만들어 졌는지 아직 모릅니다.
전 세계의 연구원들은 암흑 물질을 발견하기 위해 수십 개의 탐지기를 구축했습니다. 대학원생으로서 저는 HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM) 라는 이름의 감지기 중 하나를 설계하고 운영하는 것을 도왔습니다 . 그러나 수십 년의 실험 노력에도 불구하고 과학자들은 아직 암흑 물질 입자를 확인하지 못했습니다.
이제 암흑 물질에 대한 검색은 양자 컴퓨팅 연구에 사용되는 기술로부터 거의 도움을받지 못했습니다. A의 새 용지 자연 저널에 발표, 내 HAYSTAC 팀 동료와 나는 우리가 우리의 검출기 어두운 사항을 검색 할 수있는 속도를 두 배로 양자 속임수의 비트를 사용하는 방법에 대해 설명합니다. 우리의 결과는이 신비한 입자를 찾는 데 필요한 속도 향상을 추가합니다.
암흑 물질 신호 스캔
암흑 물질이라고하는 알려지지 않은 물질이 우주 물질의 80 % 이상을 구성한다는 천체 물리학과 우주론의 강력한 증거 가 있습니다 . 이론 물리학 자들은 암흑 물질을 설명 할 수있는 수십 개의 새로운 기본 입자 를 제안했습니다 . 그러나 이러한 이론 중 어떤 것이 올바른지 결정하기 위해 연구자들은 각각을 테스트하기 위해 서로 다른 탐지기를 구축해야합니다.
한 저명한 이론은 암흑 물질이 우주를 통해 매우 특정한 주파수로 진동하는 보이지 않는 파동처럼 집합 적으로 행동하는 액시온 (axions) 이라는 가상의 입자 로 만들어 졌다고 제안합니다 . HAYSTAC을 포함한 Axion 감지기 는 무선 수신기와 같은 방식으로 작동하지만 전파를 음파로 변환하는 대신 axion 파도를 전자기파로 변환하는 것을 목표로합니다. 특히, 액시온 감지기는 전자기장 구적법 이라고하는 두 가지 양을 측정 합니다 . 이 직각 위상은 축이 존재하면 생성되는 전자기파의 두 가지 다른 종류의 진동입니다.
액시온 검색의 주요 과제는 가상의 액시온 파동의 빈도를 아무도 모른다는 것입니다. 한 번에 한 주파수 씩 FM 대역을 통해 작업하여 특정 라디오 방송국을 검색하는 낯선 도시에 있다고 상상해보십시오. Axion 사냥꾼은 동일한 작업을 수행합니다. 그들은 개별 단계에서 광범위한 주파수에 걸쳐 감지기를 조정합니다. 각 단계는 가능한 액시온 주파수의 매우 작은 범위 만 포함 할 수 있습니다. 이 작은 범위가 감지기의 대역폭입니다.
라디오 튜닝에는 일반적으로 찾고있는 방송국을 찾았는지 확인하기 위해 각 단계에서 몇 초 동안 일시 중지하는 작업이 포함됩니다. 신호가 약하고 정적이 많으면 더 어렵습니다. 액시온 신호 (가장 민감한 탐지기에서도)는 물리학 자들이 잡음이라고 부르는 임의의 전자기 변동으로 인한 정전기에 비해 매우 희미합니다. 노이즈가 많을수록 감지기가 각 튜닝 단계에서 액시온 신호를 수신하는 시간이 길어집니다.
안타깝게도 연구원들은 라디오 다이얼을 수십 번 돌려서 axion 방송을 수신하는 것을 믿을 수 없습니다. FM 라디오는 88 ~ 108 메가 헤르츠 (1 메가 헤르츠는 1 백만 헤르츠)에 불과합니다. 반대로 액시온 주파수는 300 헤르츠에서 3000 억 헤르츠 사이에있을 수 있습니다. 오늘날의 탐지기 가 진행 되는 속도로 액시온을 찾거나 존재하지 않음을 증명하는 데는 10,000 년 이상 걸릴 수 있습니다 .
양자 잡음 압박
HAYSTAC 팀에서는 그런 인내심이 없습니다. 그래서 2012 년에는 소음을 줄이기 위해 가능한 모든 일을함으로써 액시온 검색 속도를 높이기 시작했습니다. 그러나 2017 년까지 우리 는 불확실성 원리 로 알려진 양자 물리학의 법칙 때문에 근본적인 최소 잡음 한계 에 부딪히는 것을 발견했습니다 .
불확실성 원리는 특정 물리량의 정확한 값을 동시에 알 수 없다는 것입니다. 예를 들어 입자의 위치와 운동량을 동시에 알 수는 없습니다. axion 감지기는 특정 종류의 전자기장 진동 인 두 개의 직각 위상을 측정하여 axion을 검색합니다. 불확실성 원리는 구적 진동에 최소한의 잡음을 추가하여 두 구적 위상에 대한 정확한 지식을 금지합니다.
기존의 액시온 검출기에서 불확도 원리의 양자 잡음은 두 직각 위상을 동일하게가립니다. 이 소음은 제거 할 수 없지만 올바른 도구를 사용하면 제어 할 수 있습니다. 우리 팀은 HAYSTAC 검출기에서 양자 잡음 주위를 섞는 방법을 연구하여 한 구적 위상에 미치는 영향을 줄이고 다른 구적 위상에 미치는 영향을 증가 시켰습니다. 이 노이즈 조작 기술을 양자 압착 이라고 합니다.
대학원생 Kelly Backes 와 Dan Palken이 이끄는 노력으로 HAYSTAC 팀은 양자 컴퓨팅 연구에서 차용 한 초전도 회로 기술을 사용하여 검출기에서 압착을 구현하는 과제에 착수했습니다. 범용 양자 컴퓨터는 남아 멀었다 하지만,이 압박 기술이 바로 암흑 물질에 대한 검색 속도를 높일 수있는 새로운 종이를 보여줍니다.
더 큰 대역폭, 더 빠른 검색
우리 팀은 HAYSTAC 감지기의 소음을 줄이는 데 성공했습니다. 하지만 이것을 사용하여 액시온 검색 속도를 높이는 방법은 무엇입니까?
양자 압착은 axion 검출기 대역폭에서 균일하게 노이즈를 감소시키지 않습니다. 대신 가장자리에서 가장 큰 효과가 있습니다. 라디오를 88.3 메가 헤르츠로 조정했지만 원하는 방송국은 실제로 88.1입니다. 양자 압착을 사용하면 좋아하는 노래가 한 스테이션 떨어진 곳에서 재생되는 것을들을 수 있습니다.
라디오 방송의 세계에서 이것은 재앙의 비결이 될 것입니다. 다른 방송국이 서로 간섭 할 것이기 때문입니다. 그러나 찾아야 할 암흑 물질 신호가 하나뿐이므로 더 넓은 대역폭을 사용하면 물리학 자들이 한 번에 더 많은 주파수를 포함하여 더 빠르게 검색 할 수 있습니다. 최근 결과에서 우리 는 HAYSTAC의 대역폭 을 두 배로 늘리기 위해 압착을 사용하여 이전보다 두 배 빠른 속도로 axions를 검색 할 수있었습니다.
양자 압착만으로는 가능한 모든 액시온 주파수를 합리적인 시간에 스캔하기에 충분하지 않습니다. 그러나 스캔 속도를 두 배로 늘리는 것은 올바른 방향으로 나아가는 큰 진전이며, 양자 압착 시스템의 추가 개선으로 10 배 더 빠르게 스캔 할 수있을 것으로 믿습니다.
액시온이 존재하는지 또는 그들이 암흑 물질의 신비를 해결할 것인지는 아무도 모릅니다. 그러나이 예상치 못한 양자 기술의 적용 덕분에 우리는 이러한 질문에 한 걸음 더 가까이 다가갔습니다.
Benjamin Brubaker 는 콜로라도 볼더 대학의 양자 물리학 박사 후 연구원입니다.
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